美日三巨头（三菱、NGF、氰特）高性能沥青基碳纤维产品差异性分析
导语
由中间相沥青制备的高性能沥青基碳纤维，因其超高模量以及超高导热的特性，一直是沥青基碳材料领域研究的热点。上世纪70年代，美国联邦碳化物公司（现被比利时索尔维收购，但人们仍然习惯称为氰特）成功开发了油基中间相沥青的规模化生产技术，1976年建设完成了一条 230t/a的中间相沥青碳纤维生产线，从公开资料来看，该规模产能持续至今。1981年新日铁公司开发了煤基中间相沥青碳纤维的制备工艺技术，1995年新日铁与新日本石油共同成立了日本石墨纤维公司（NGF），目前产能为180t/a。1991年日本三菱开发了煤基中间相沥青碳纤维的规模化生产技术，目前产能为1000t/a。这三巨头是目前国际上公认的可以大规模、稳定化生产高性能沥青基碳纤维产品的公司。我称之为美日三巨头-三菱、NGF、美国氰特。
虽然在一段时间内，国际上出现了一股沥青基碳纤维热潮，包括杜邦、康菲石油在内的巨头都曾涉足这个领域，但都因种种原因放弃了该领域。国内科研单位山西煤化所、北京化工大学、天津大学、湖南大学、东华大学等都对该领域进行了十分深入的研究。目前为止国内至少有超过5家企业致力于该产品的研发和制造，都取得了不错的成就。虽然近些年，我们进步很大，但是我们的产品无论从性能、规模、多样性、成本等方面，都仍不能对美日三巨头产品产生竞争力。今天我们单单从美日三巨头的产品性能分析，看看美日两国技术差异性。
美日三巨头主要产品牌
差异性分析
从公开资料看，日本三菱产能1200吨，氰特产能230吨，NGF为180吨，三家合计产能超过1600吨。其中三菱的产能远超氰特和石墨纤维公司。虽然三菱产能超过1000吨，但相对PAN基动则上万吨的规模看，也是小巫见大巫了。这最主要的还是因为高性能沥青基碳纤维是一个非常小众的产品，主要应用在航天方向，昂贵的生产成本限制了其民用方向，目前三家的产能，可以完全供应全球的航天应用需求。这是几家公司一直没有扩大产能的主要原因。
原料产能是限制纤维产能最主要的环节。因纺丝、热处理都相对容易复制扩大规模，而中间相沥青一般是间歇式釜式反应，因为热效应关系，单一装置产能很难做到很大，这是限制产能的主要因素之一。三菱集团是这三家企业中综合实力最强的，具有针状焦生产装置、PAN基碳纤维生产技术、萘系中间相沥青合成技术，无论从原料还是到后续纺丝、热处理其技术都是国际领先，这可能是它产能领先的一个原因。
氰特中间相沥青基碳纤维业务，从成立之初到现在，已经几经转手，但无论是以前的阿莫科、美国联合碳化物公司还是后来的氰特、索尔维，该部门都是其庞大业务中的一个小版块。特别是氰特卖给索尔维之后，从官方网站上，连续纤维也只能查到P25系列产品。有消息分析，高导沥青基碳纤维品种，涉嫌军工板块，索尔维并没有得到授权。仅仅靠低端沥青基碳纤维业务，估计其产能最近不会有太大的释放。
日本石墨纤维公司是这三家唯一一家只有沥青基碳纤维产品的公司，公司不大，专业性很强。该公司靠着强大的专业力，丰富的产品规格，一直在高性能碳材料领域占有一席之地。公司产能一直维持在180吨，规格涵盖长纤、短纤、磨碎纤维等多种规格。因其产品竞争力高，产品价格一直处于高位，目前产能足以具有较高的盈利水平。通过提高产能，相反降低了产品竞争力。该公司提高产能的愿望也不迫切。
从产品规格上看，日本公司的产品丝束大小选择性更大，NGF主要涵盖1-12K的产品，三菱主要生产2k-16k的产品，而美国只提供2K、4K产品。这也许与纺丝技术有关，丝束越大，纺丝难度越大，产品质量控制要求更高。日本纺丝技术全球领先，对沥青纺丝性能研究的更加透彻，对纤维收丝、并丝技术更加成熟，具有能力生产更高丝束的纤维。另外，日本原料为煤焦油或萘系，而美国为石油系，兴许是原料的差异性，造成的纺丝性能的差异性。有资料显示，美国石油系沥青纺丝温度超过360℃，而日本煤系或萘系的纺丝温度可以控制在330℃以下。温度越高，纺丝越困难。总之美国的高性能沥青产品，丝束规格选择性不如日本公司的丰富。
高性能沥青基碳纤维的主要特性是高模量，高导热。从单一指标上看，三家公司都可以生产模量超过900GPa、导热超过600W/mK的产品。但综合比较来看，三家产品的差异性还是很大的。
日本两家公司的产品，机械性能更加突出。在高性能纤维中,模量超过500GPa的产品，其拉伸强度都超过了3400MPa。而美国公司产品，最高强度仅为3100MPa，且仅有K1100一种系列，其余强度全部在3100MPa以下。在模量900GPa水平上看，美国公司产品强度为2900MPa（K-800））,而日本两家公司的强度分别为为3530MPa（日本石墨纤维的YS-95A）、3800MPa（三菱K13C6U）。
美国产品更突出导热数据，最高热导率达到了1000W/mK，三菱导热率最高的产品规格为800W/mK（三菱K13D2U），NGF的长纤最高导热率仅为600W/mK，这还是与美国产品有一定的差距的。虽然美国产品的热导率可以做到最高，但超高模量纤维的产品丰富度还不及日本。人们普遍将模量超过700GPa的沥青基碳纤维称为超高模量碳纤维，因为PAN基碳纤维很难达到这个级别。从模量超过700GPa这一个单一指标来看，日本石墨纤维的产品有6种，三菱的产品有7种，美国产品有5种，几家的差别不是很大。但从导热上看，其实几家的产品控制还是有一定差别。美国氰特的所有超高模量的纤维，都可以称得上是高导热纤维（超过铜的导热400W/mK），模量的最低的P-100S纤维，导热率达到了520W/mK。日本石墨纤维公司的xn-80 差不多的情况下，导热只有320W/mK，三菱的K1392U模量同样是760GPa，导热只有210W/mK。三菱更是可以在模量同为900GPa水平上，导热分别做到580W/mK、620W/mK、800W/mK，同时强度几乎不变，这种以导热为差别化的纤维产品，技术难度极高。这种导热率的细分化，可以将纤维的价格分层，有利于市场推广，扩大市场占有率。
总之，美国产品更倾向于“高模高导型”，而日本的可以分为“高模低导型”（相对的）和“高模高导型”，产品线更丰富一些。可以根据应用场所，制定不同的产品类型。
从官方给的数据看，美国氰特（P-30有7um选择）和三菱纤维产品都在10um左右，而日本石墨纤维，有7um纤维产YS系列和10um的XN系列。相对PAN基的湿法纺丝，沥青的熔融纺丝对沥青的流变性能要求较高，纤维越细，难度越大，但纤维越细，机械性能越高。可以看出YS系列的纤维比XN系列的纤维机械性能是高一些。从导热数据看，直径对导热的影响规律并不明显，YS系列和XN系列在模量相近时，导热数据并没有太大差别。需要注意的是，因为纤维模量很高，对后期加工性能操作具有很高的要求，当纤维直径越细，可加工性能越好，有利于复合材料的制备。
结论
原料以及工艺的差异性导致了三家产品的规格、性能具有一定的差异。美国的产品规格相对较少，且更多的是高导热产品。日本的产品在机械性能相似的情况下，能做出导热细分的产品，产品选择性更多。产品的多样性可以开拓更多的应用场所，对降低成本具有推动作用。我们不清楚是不是石油系的沥青更容易制备导热更高的石墨纤维，而煤系更容易控制结构，从而控制热导率。这个只能由我们的工作者，深入研究，加快探究其中的缘由，尽快拉进我们与他们的距离。